岩土钻掘工程学 第7章

岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室第七章土样与岩矿心的采取1、土样的采取2、岩矿心采取3、常用取心工具及方法4、绳索取心工具5、反循环钻进取心6、采集岩粉和补取岩样国家精品课程岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室第一节土样的采取（另一门课程将展开，自习）第二节岩矿心采取钻探工程是获得实物地质资料的唯一手段，直接影响着判断地质构造、岩层性质、矿产资源及水文地质与工程地质的准确性与可靠性。对提交地质调查及矿产储量有重要意义；工程地质勘察中取岩土样，了解地层的物理力学性质；抽心验桩时，取心样以检查桩基的质量；硬岩层中钻大直径钻孔时，为提高钻速也可采取取心钻进以获取比全面钻进更高的钻进效率。因此，如何从钻孔中取出、取全、取准可靠的实物地质样品是钻探工作的关键技术之一。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室一、岩矿心采取的基本要求1、岩(矿)心的采取率岩(矿)心的采取率是指在回次钻进过程中，实际取出的岩(矿)心长度与实际钻进进尺的比值。对岩矿心采取率要求也不同，一般：岩心不低于65％，矿心不低于75％，如果不足应进行补取。2、完整性取出的岩心、矿心要保持其天然的结构和构造。以便划分矿石类型，观察其原生结构和共生关系。在钻进取岩矿心尽量避免人为的破碎、颠倒和扰动。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室3、纯洁性取上的岩矿心不受外污的浸蚀，以免影响矿石的品位、物理性能等。4、避免选择性磨损选择性磨损会使其内在物质成分发生变化，造成矿物人为的贫化和富集。歪曲原来的品位和品级，丧失其代表性。5.取心部位准确要求取上岩矿心的位置准确，为了得到岩矿层准确的埋藏深度、厚度和产状、以准确地计算矿产储量和确定其地质构造。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室二、影响岩矿心采取率与品质的因素1.自然因素地质因素主要有岩石的强度、硬度、完整度、胶结性、研磨性和易溶度等。钻进坚硬、致密、完整的岩矿时，岩矿心不怕冲刷、振动，取出的岩矿心完整，采心率高，能保持其原生结构。钻进松散、破碎、节理发育的岩矿时，取出的岩矿心多呈粒状、块状和粉状，不仅原生结构遭到破坏，而且岩矿心的采取率也低，甚至取不上岩矿心；钻进强研磨性地层，切削具易磨钝，钻进效率低，回次时间长，岩矿心受外力作用时间也长，影响岩矿心采取的品级和采取率。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室2.人为因素2.1钢粒钻进→岩矿心细→对岩矿心的磨损作用；硬合金钻进→磨损轻微；金刚石钻进→2.2不合理的具组合→离心力和水平振动，使岩心受损破坏。2.3压力↑→钻具弯曲振动→破坏岩心；压力↓······。转速↑→钻具振动↑→岩心破坏加剧；转速↓······泵量↑冲刷力↑冲毁和磨耗岩心。循环方式不当······第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室2.4操作方法不正确盲目追求进尺提钻不及时，增加岩矿心在孔底被破坏的可能性；提动钻具过猛或采心方法不当，则易造成岩矿心脱落；退心时过分敲打易造成岩矿心的人为破碎和上下顺序颠倒，影响岩矿心的完整性，歪曲岩矿心的层次。三、岩矿心取心难度分类根据我国目前钻探工作所遇到的岩矿层，可大致分为五类。是研究选用取心方法和工具的依据（表7-2）。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室第七章土样及岩矿心的采取第三节常用取心工具及方法一、卡取岩心的方法1.卡料卡取法回次终了时从地面投入卡料(小碎石、铁丝、钢粒)，卡紧扭断岩矿心。适于硬、中硬、完整岩矿层硬合金和钢粒钻进。2.卡簧卡取法卡簧（也称提断器）卡取法在回次终了稍上提钻具，把岩心卡住并拉断。适于硬和中硬、岩心完整、直径均匀岩矿层的金刚石钻进，取心方便可靠，但对岩心直径与卡簧的配合精度要求较高。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室第二节单层岩心管取心工具岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室图1常用卡芯工具的结构简图图2.俄罗斯专用卡心工具-1岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室图3俄罗斯专用卡心工具-2图4专用卡心工具-3岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室对卡簧及卡心操作的要求卡簧应有足够强度和弹性。用弹簧钢65锰及调质钢40铬加工，硬度HRC45—50。卡簧自由内径＜钻头内径0.3mm±，自由内径过大卡不牢岩心→中途脱落。自由内径过小→岩心堵塞。检查卡簧自由内径合适否的方法，将卡簧套在岩心上既有一定抱紧力，又能在岩心上被轻轻推动。为减少残留岩心，卡簧安放位置应尽量靠近钻头底部。正常钻进时不能提动钻具，否则会过早提断岩心，造成岩心堵塞。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室3.干钻卡取法回次终了停水干钻一段，让岩粉聚集孔底塞住岩心即可提钻。但有埋、烧钻的危险，适用于硬合金钻软或粘性岩层。4.沉淀卡取法回次终了停止循环让管内岩屑碎渣沉淀挤塞卡牢岩心。适用软、脆、碎的岩层反循环钻进。常与干钻法结合使用。5.楔断器卡取法回次终了将钻具提出孔外，下入楔断器，利用吊锤冲击楔子将岩心楔断，再下入夹具将岩心提出。该法适用于大直径和岩石比较坚硬、完整的岩矿层钻进。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室二、单层岩心管钻具——最简单的取心钻具为↑采取率在单管钻具中增加分水投球接头和分水帽。钻进时冲洗液通过分水接头中心孔直接进入岩心管内，活动分水帽呈伞形保护岩心不受冲洗液直接冲刷，且随岩心一起上移。提钻前投入球阀封闭中心水道，在水压作用下球阀下移超过小卡时通水孔被打开，使孔底形成干钻条件。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室三、双管钻具为克服单管钻进时冲洗液对岩矿心的冲蚀。在岩心管内设置内管容纳岩心，冲洗液从二管之间流动，避免对岩心的直接冲刷，保护岩矿心。钻进时双管若同步转动，内管仍可能与岩心相对转动，对岩心造成的损害。内管在钻进时不随外管转动，既避免了冲洗液对岩心的冲刷，又避免了钻具转动对岩心造成的不良影响。在难取心地层或高速回转的金刚石钻进中，往往能取得较高的取心质量。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室双管钻具结构特点为减弱机械力对岩心破坏，钻具中设置避振缓冲装置.为减轻对岩心冲刷作用，钻具中设置隔水和分流装置.为防止或缓解岩矿心互磨，双管钻具中增加减磨防磨装置.为防止岩矿心污染，设置隔浆活塞、压入式内管钻头、密封装置等.为防止岩矿心脱落，设置爪簧、压卡装置、隔水球阀等.岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室1、双动双管由双管接头，内、外岩心管、钻头和止逆阀组成。一般用于钻进I一Ⅶ级的松散、易坍塌和怕冲刷的岩矿层。为保护岩矿心根部不被冲刷，钻具的内钻头大都超前于外钻头，一般为20~50mm，岩层越松散，胶结性越差，超前距离就越大。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室2、单动双管钻具由异径接头、外管、内管、单动装置和卡心装置等组成。单动轴承套与内管连接，内管下端与短节和卡簧座采用插接方式连接。利用心轴上端的螺纹调节卡簧座与钻头内台阶的间隙。卡心装置包括卡簧和卡簧座。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室冲洗液由内外管间隙到达卡簧座与钻头内台阶部分分流。岩心进入内管后，内管中的液体经单向阀排到内、外管之间。回次结束稍上提钻具，卡簧相对下移卡紧岩心，卡簧座下移并抵在钻头内台阶上。此时外管承受拉力，并提断岩心适用于为7～12级的完整、微裂隙或不均质、中等裂隙的岩矿层。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室3.活塞单动双管钻具由分水接头、单动装置、半合管、活塞和阶梯钻头等组成。严密防止冲洗液接触、污染和冲刷岩矿心。半合管保持岩矿心的原生结构；活塞使岩矿心与泥浆隔绝。钻进中岩矿心顶着活塞进入半合管，起刮浆和减振作用，提高了岩矿心的纯洁度和取心的可靠性。阶梯钻头体开有斜水口，冲洗液不冲刷孔底。在钻头水口下部与半合管间设有密封圈，防止岩矿心受到污染。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室下钻先送水将活塞推到底部再开车扫孔。扫孔完毕后投入钢球。钻进中水压推动球阀向下打开通水孔，改变液流方向，使活塞上部免受动水压力，防止孔底缺水烧钻。严禁提动钻具，以免污染矿心。适于可钻性为4～6级的松散、粉状、节理发育、怕污染的岩矿层。在滑石、石墨矿中取心效果尤其显著。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室第四节绳索取心工具绳索取心：钻进中岩心充满岩心管后不需提钻，借助绳索和专用打捞工具从钻杆中把内管及岩心提至地表的取心方法。极大地减少了起下钻具时间，机械化程度高，增加纯钻进时间，虽然绳索取心钻头壁更厚，机械钻速略低于普通钻头。总的钻效提高了，且这种趋势随孔深的增大而增大。岩心堵塞后能即时报警，岩心采取率高，地质效果好。减少了提钻次数，钻杆与孔壁间隙小，钻头回转平稳，钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右。降低钻探成本。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室缺点：钻杆的内径大而管壁薄，钻头壁较厚，钻进时碎岩功率消耗较大。绳索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大。地质条件：适于各种地层，在6~9级中硬岩层中效果最好。一般不宜钻10~12级岩石。这时钻效极低，钻头极易磨损，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。绳索取心与液动冲击器相配合，钻进硬地层有良好的前景。绳索取心一般在深孔中采用。通常钻孔越深其经济技术效果越好,但最大深度受钻杆强度制约。若绳索取心钻头寿命短，便失去了绳索取心的意义。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室绳索取心钻具的规格和型号第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室一、绳索取心单动双层岩心管——由外管总成和内管总成组成外管总成：弹卡挡头1、弹卡室7、稳定接头23（上扩孔器）、外管46和钻头52。内管总成：捞矛、弹卡定位、悬挂、到位报讯、岩心堵塞报警、单动、内管保护和调节机构。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室(1)捞矛机构由捞矛头2和回收管4等组成。取心时打捞器在钻杆内下放到内管总成上端，打捞钩抓住捞矛，向上提升打捞器使回收管上移，并向内压缩弹卡6使其收拢，于是内管总成和外管总成脱离，从而把内管总成提升上来。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室(2)弹卡定位机构：弹卡6、张簧5和弹卡座10。内管总成在钻杆内下放时弹卡外张，一旦到达外管的弹卡室7，弹卡两翼贴附在弹卡室内壁。弹卡室挡头即可防止内管向上串动，又可带动内管总成轴承上部与外管一起旋转，以免因相对运动造成弹卡磨损。第七章土样及岩矿心的采取岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/8中国地质大学勘查教研室(3)悬挂机构：内管悬挂环21与外管座环22的直径相差0.5~1.0mm。内管总成下降到外管弹卡室时，悬挂环座在座环上，使内管总成下端卡簧座51与钻头52内台阶2~4mm的间隙，保证内管单动。第七章土样及岩